◆第５５回機械振興賞受賞者業績概要

エレメント積層型混合技術
アイセル株式会社
代表取締役
アイセル㈱
アイセル㈱

技術顧問
事業開発部

望 月課長

貴 司

望 月昇
田 中 鋭 治にする以外に構造の変更は困難である。同様にはじめに静的混合器も混合性能調整のために、内部品の構造の変更は困難である。本技術は以上の２点
混合・撹拌操作は化学プロセスにおける重要を課題として設定し、開発したものである。

な単位操作の一つである。多孔板形状の混合エ装置の概要

レメントを積層したエレメント積層型混合器（以下、「MSE ミキサー（MSE ： Multi-StackedElements）」）は、これら混合・撹拌操作に使用

MSE ミキサーは、図１に示す 2 種類の多孔板されるものであり、流体を分割・合流、せん断等形状の混合エレメント（以下、単に「エレメンにより効率的に混合する。静的な混合にも動的ト」）の積層体（以下、単に「積層体」）を、全な撹拌にも適用できる、幅広い分野で使用可能てのデバイスの基本構成要素とする。エレメンな応用範囲の広い技術である。

トのうち一方は外周部の貫通孔が開いて内周部の貫通孔は閉じており（外開き）、他方のエレメ開発のねらい

ントは逆に外周部の貫通孔が閉じて内周部の貫通孔が開いている（内開き）。各エレメントの貫MSE ミキサーは、静的混合器や撹拌翼等のデ通孔間の円周方向の壁は、積層時に重ならないバイスへのアプリケーションがあるが、共通すように配置されているため、各貫通孔が連通しる開発のねらいは以下の通りである。て流路が形成される。さらにエレメントを多層①効率の優れた混合化することにより、三次元的に複雑に連通しな②柔軟性を備えたシンプルな構造

がら整列した流路を有する MSE ミキサーが形①について、よく使用されている撹拌翼は羽成される。流体は以上の流路を流れる際に、積層根タイプのものが主流であり、流体はこれら撹方向及び半径方向に三次元的に分割・合流され、拌翼により主に羽根周辺で混合される。しかし、さらにはせん断作用や渦流等により効率的に混撹拌槽内で混合状態が飽和に達した流体が、繰り返し羽根周りを流れてもそれ以上混合は進行しない一方で、羽根から離れた流体の混合は遅く、いわば「過混合」ともいえる状況が発生し、そのため全ての流体を所定の混合状態にするに混合ｴﾚﾒﾝﾄ(外開き)は長時間を要する場合がある。②については、羽根タイプの撹拌翼は改造が難しく、羽根を多段－9－混合ｴﾚﾒﾝﾄ
(内開き)

積層体

図１ 混合エレメント及び積層体

エレメント積層型混合技術合される。積層体内部の積層方向及び半径方向

ミキサーに到達した流体は、上流のブラインドの流体の流れを図２に示した。

板により直進を妨げられ、上流側の積層体の側壁から積層体内部へ流入し、中空部に流出する。
次いで流体は中間板の貫通孔を通過し、下流側の積層体内部を通過して配管内に戻る。流体が積層体内部の複雑な流路を通過する際に、図２に示したように三次元的に分割・合流、せん断等(a)積層方向を繰り返して高効率に混合される。

(b)半径方向

MSE スタティックミキサーの主な特徴とし

図２ 積層体内部の流体の流れては、①短距離での高効率混合、②設置が容易、以上の積層体を基本構成要素として、静的混③エレメント積層枚数・方式の変更による機器合器、撹拌翼等のデバイスが構成される。以下特性の調整が可能等が挙げられる。

8 ～ 20A の小径配管用に、積層体をニップルに、各デバイスについて説明する。
(1) MSE スタティックミキサー内に収容したニップルタイプも用意されてお配管内部で自身は動くことがなく流体を混合するデバイスを静的混合器（スタティックミキり、これらは配管にねじ込むだけで使用できる。
(2) MSE 撹拌翼サー）と呼ぶ。中央に貫通孔を有する中間板の両MSE 撹拌翼（以下、「MSE 翼」）は、図４(a)側に積層体を配置し、その両端にブラインド板に示すように積層体をリング状の板で挟み、こを配置することで MSE スタティックミキサーれに回転軸を取り付けて構成される。図４(b)が構成される。図３(a)に分解斜視図を、図３に撹拌槽内における流れのイメージを示す。

(b)に流体の流れを示した。
フランジ間に設置された MSE スタティック(a)分解斜視図(a)分解斜視図

ブラインド板

ブラインド板(b)翼回りの流れ

図４ MSE撹拌翼

MSE 翼を回転させると遠心力により積層体内部の流体が吐出され、中央の中空部から流体を吸い込んで積層体に流入する循環流れが発生する。流体は積層体内部の複雑な流路を流れる際に、分割・合流、せん断等により混合される。

MSE 翼の主な特徴としては、①高効率で穏やか中空部中間板な撹拌、②巻上げ・吸込み等多彩な撹拌が可能、(b)流体の流れ③流体が同形状の流路を通過することによる均図３ MSEスタティックミキサー

質な混合等が挙げられる。また、略円筒形状のた－ 10 －

◆第５５回機械振興賞受賞者業績概要

め、撹拌時の回転軸の振動が小さい。
MSE ミキサーは構造がシンプルなので、これらのデバイスにおいては、材質やサイズの自由度が高く、金属だけでなくフッ素系樹脂等種々の材料での製作が可能である。また、積層枚数・ミキサーなし

方式の変更による圧力損失や撹拌槽内循環流量

ケニックス型MSE

図６ 管断面画像の調整ができるため、運転状況により改造が必要になった場合でも、デバイスの特性や混合状対し、MSE はほぼ 100%にまで注入流体が広態の調整が可能である。

がっている。一方、濃厚塊の最大輝度 R'max は注入流体の希釈度合いを表す指標であり、大きい技術上の特徴ほど濃厚塊の濃度が高いことを示す。ケニックス型では注入流体と同じ 255 であるが、MSE で当社と山口大学が主導して JIS B8702 としては 93 まで低下している。以上により水流に対す制定された混合性能測定方法により、MSE スタ

る 1.5wt%CMC 水溶液の混合では、MSE の優位ティックミキサーと汎用のケニックス型スタ性が定量的に示されている。

ティックミキサーを比較した。測定に使用した

表１ 混合度指標

流れ系を図５に示した。流れ系に設置したスタティックミキサーの上流から、蛍光顔料で着色した 1.5wt%CMC（カルボキシメチルセルロース）水溶液を水流に対して 0.2vol%の流量で注ﾐｷｻｰなし

ｹﾆｯｸｽ型MSEM [%]

6.82

50.5499.99

R’max

25525593

入し、出口流体が導かれる可視化流路にレー実用上の効果

ザーシート光を照射し、管断面画像を撮影した。

(1) 高分子液体凝集剤の希釈水処理において高分子液体凝集剤の使用が拡がりつつあるが、MSE スタティックミキサーは高分子液体凝集剤の希釈において実績を上げている。図７に示すように、従来は希釈槽内で撹拌翼により 希釈し ていたが、これを MSE スタ

図５ 混合性能評価のための流れ系ティックミキサーによるインラインでの希釈に図６に撮影画像の一例を示した。CMC 水溶液切り替えることにより、希釈槽・撹拌翼、希釈剤は水との相溶性が低く、ケニックス型では濃厚ポンプを不要とし、希釈設備の省スペース、コス塊が円環状に分断されている一方で、MSE ではわずかに小さな濃厚塊が存在するものの、ほぼ均一な混合が達成されているのが分かる。
JIS B8702 に規定されている指標の内の 2 つについて、図６の画像を対象に求めた結果を表１に示した。混合度 M は管断面全領域に対する蛍光領域の割合で、注入流体の広がりを表す指標である。ケニックス型では約 50％であるのに－ 11 －

図７ 高分子液体凝集剤希釈設備の改造

エレメント積層型混合技術トダウンを実現した。希釈された高分子液体凝集剤は従来方法と同等以上の凝集効率を示しており、積層体内での一様で適度なせん断作用により高分子が十分に展開されたものと推定される。なお、本希釈操作は、水流への小流量の高粘性流体の混合という点で、前述した JIS に規定(b)撹拌子周りの流れ(a)MSE撹拌子されている測定方法の条件と同様である。

(2) MSE 撹拌翼による混合の制御

図９ MSE撹拌子及び混合の様子

MSE 翼内部を流れる流体は、複雑であるが規則正しく整列した流路を通過するため、流体に

本開発品に関する主な登録特許は以下であ均等にせん断力を作用させられ、混合の制御能る。対応する特許も米・欧等に登録されている。

力が高いと考えられる。一例として、ポリスチレ①日本国特許第 5500575 号

ン微粒子合成における羽根タイプの翼との比較

名称：混合要素、混合装置、混合方法、撹拌結果を図８に示した。MSE 翼では羽根タイプの翼、撹拌装置及び撹拌方法

翼と比較して粒径は大きいが、単一ピークの概要：基本特許②日本国特許第 5760205 号

シャープな粒径分布が得られている。

名称：混合方法、混合装置、及び混合流体

概要：昇圧機能を備えるポンプ式ミキサー③日本国特許第 6573240 号
名称：撹拌子、撹拌装置、撹拌方法、細胞培
養方法、反応促進方法、及び撹拌子の組立方法
概要：撹拌子及び反応方法
図８ 生成ポリスチレン微粒子の粒径分布

むすび

この結果は翼内に形成される一様なせん断によるものと推定されるが、同じ理由で羽根タイ

MSE ミキサーは、流体に均等にエネルギーをプの翼からの変更により①貯槽内の液中粒子の作用させて混合すると共に、構成部材の組替え沈降防止において、不均一なせん断により生じが容易であり、材質やサイズの自由度が広く、幅ていた副生成物の抑制、② BDF 製造におけるメ広い条件に対応することができる従来にない混チルエステル反応効率の向上の実績もある。

合器である。この特性を生かし、さらに多くの分(3) 撹拌子

野に普及させていきたい。

実験室でビーカーやフラスコ内の流体の混合引用文献に使用される撹拌子に、MSE ミキサーを適用した MSE 撹拌子の外観写真を図９(a)に、流れを図９(b)に示した。積層体の効果により、条件に

1) 望月昇，来栖孝明，森口優吾，貝出絢，佐伯よっては混合時間を 1/10 以下に短縮できる。

隆，化学工学論文集，43，75-80（2017）2) 望月昇，佐伯隆，化学装置，60 巻 3 号，4-7

知的財産権の状況（2018）－ 12 －